Wzmacnianie gruntu. Metody wzmacniania gruntu i kryteria ich doboru
Wzmacnianie gruntu to ważny etap inwestycyjny w przypadku niewystarczającej nośności podłoża. Jest kilka metod wzmacniania podłoża grunowego i stosowanych w ich ramach rozwiązań.
Wzmacnianie gruntu - kryteria wyboru metody
Czynnikami wpływającymi na wybór metody wzmocnienia gruntu są:
- warunki gruntowo-wodne,
- warunki górnicze, parasejsmiczne lub sejsmiczne,
- obciążenia przekazywane przez konstrukcję obiektu,
- dopuszczalne osiadania równomierne i nierównomierne fundamentów,
- sposób i wartość obciążenia posadzek,
- lokalizacja obiektów istniejących w sąsiedztwie terenu wymagającego wzmocnienia.
W dzisiejszej praktyce projektowej coraz częściej spotyka się niekorzystne warunki gruntowe lub gruntowo-wodne, ponieważ atrakcyjne pod tym względem tereny zazwyczaj są już zagospodarowane. Występują one zarówno na obszarach z zalegającymi gruntami rodzimymi (mineralnymi lub organicznymi), jak i na terenach wykorzystywanych wcześniej na cele budowlane, gdzie np. w wyniku likwidacji starych obiektów lub wyrobisk powstają niekontrolowane nasypy. Wzmocnienia z reguły wymagają obszary zalegania gruntów słabonośnych, silnie odkształcalnych oraz zróżnicowanych w planie i przekroju.
Można wprowadzić wiele podziałów metod wzmacniania podłoża gruntowego, np. z uwagi na głębokościowy zakres wzmocnienia, rodzaj stosowanych w tym celu materiałów, występowanie drgań podczas wykonywania robót, czas uzyskania pełnej efektywności wzmocnienia. Zostały one zestawione w tabeli.
| Kryterium podziału | Rodzaj metod | Stosowane rozwiązania |
| Głębokość wykonywanego wzmocnienia | wzmacnianiepowierzchniowe | dogęszczenie powierzchniowe(np. wałowanie) |
| stabilizacja powierzchniowa | ||
| zabudowa geosyntetyków | ||
| wzmacnianie wgłębne | konsolidacja dynamiczna,zagęszczanie impulsowe | |
| kolumny kamienne i żwirowe | ||
| kolumny cementowo-gruntowe(np. jet-grouting, DSM) | ||
| kolumny betonowe | ||
| dreny pionowe i nasyp przeciążający | ||
| Rodzaj stosowanego materiału | niewynagające dodatkowych materiałów | zagęszczanie powierzchniowe |
| konsolidacja dynamiczna,zagęszczanie impulsowe | ||
| wymagające użycia materiałów dodatkowych | stabilizacja spoiwem (np. cementem) | |
| konstrukcje z geosyntetyków | ||
| wzmocnienie kolumnami z kruszywa, betonulub zaczynu cementowego zmieszanegoz gruntem | ||
| konsolidacja z zastosowaniem drenówpionowych i nasypu przeciążającego | ||
| Występowanie drgań | dynamiczne | zagęszczanie gruntu powierzchniowe i wgłębne |
| kolumny kamienne i żwirowe | ||
| statyczne | stabilizacja gruntu i wałowanie statyczne | |
| kolumny jet-grouting i DSM | ||
| kolumny betonowe | ||
| Zmianaparametrów gruntuzalegającegow podłożu | poprawiające parametrywzmacnianych gruntów | zagęszczanie gruntu powierzchniowe i wgłębne |
| kolumny kamienne i żwirowe (dogęszczeniegruntów niespoistych, poprawa warunkówkonsolidacji gruntów spoistych) | ||
| drenaż pionowy i nasyp przeciążający (poprawa warunków konsolidacjigruntów spoistych) | ||
| niepoprawiająceparametrówwzmacnianych gruntów | stabilizacja spoiwem (brak efektu wzmocnienia gruntu poza warstwą gruntuzmieszanego ze spoiwem) | |
| kolumny jet-grouting i DSM (poza obszarem iniekcji zaczynu cementowego) | ||
| kolumny betonowe | ||
| zabudowa geosyntetyków | ||
| Wrażliwośćna przeszkodywystępującew gruncie (np.w nasypachantropogenicznych) | niewrażliwe | zagęszczanie gruntu powierzchniowe i wgłębne |
| kolumny kamienne i jet-grouting | ||
| wrażliwe | kolumny DSM | |
| kolumny betonowe i żwirowe |
Wzmacnianie gruntu - warstwy transmisyjne
Na wybór metody wzmacniania gruntu może mieć wpływ konieczność stosowania tzw. warstwy transmisyjnej, pośredniej pomiędzy elementami wzmacniającymi podłoże gruntowe a fundamentem lub posadzką. Ma to miejsce w przypadku użycia bardzo sztywnych elementów o niewielkim przekroju poprzecznym, które wykonywane są w dużych rozstawach.Warstwa transmisyjna ma przenieść obciążenie z fundamentu lub posadzki na element wzmacniający podłoże gruntowe, co umożliwi zaprojektowanie posadowienia bezpośredniego na zhomogenizowanym podłożu gruntowym o polepszonych parametrach.Warstwy te można wykonywać z gruntu stabilizowanego cementem lub z konstrukcji z gruntu zbrojonego (w formie geomateracy i półgeomateracy). Ich prawidłowe zaprojektowanie i zrealizowanie jest podstawowym warunkiem właściwej pracy konstrukcji opartej na podłożu gruntowym. Schematy budowy warstw transmisyjnych pokazano na rysunku.
Niepoprawne wykonanie lub zaprojektowanie warstwy transmisyjnej niesie ryzyko:
- przebicia warstwy transmisyjnej przez kolumny (szczególnie te o niewielkim przekroju poprzecznym),
- uszkodzenia warstw zbrojenia geosyntetycznego,
- niedostatecznej sztywności warstwy transmisyjnej, powodującej brak równomiernej sztywności mierzonej na powierzchni warstwy,
- zerwania zbrojenia geosyntetycznego,
- zbyt dużego odkształcenia pionowego i poprzecznego warstwy transmisyjnej w wyniku za małej sztywności początkowej zbrojenia geosyntetycznego.
Aby zapewnić jednorodne warunki podparcia fundamentu lub posadzki, warstwy transmisyjne muszą mieć dużą sztywność. Wartości tej ostatniej, mierzone zarówno nad elementami wzmacniającym podłoże (np. kolumną betonową), jak i pomiędzy nimi, powinny być zbliżone. Efektywność działania w głównej mierze zależy od stosunku grubości warstwy do rozstawu osiowego elementów wzmacniających podłoże oraz od sztywności poprzecznej warstwy. Im grubsza i sztywniejsza, tym skuteczniejsza. Warstwy transmisyjne można projektować w postaci warstwy gruntu stabilizowanego cementem, ułożonej na głowicach kolumn, lub stabilizowanego wraz z głowicami kolumn kamiennych bądź żwirowych lub jako konstrukcję z gruntu zbrojonego geosyntetykami (np. georusztami oraz geosiatkami, geokomórkami bądź geotkaninami), tzw. geomaterac z kruszywem dobranym do zastosowanego typu zbrojenia. Największą sztywność warstwy transmisyjnej uzyskuje się przy użyciu gruntu stabilizowanego cementem lub geomateraca ze zbrojeniem geosyntetycznym, np. georusztem o działaniu trójkierunkowym, o sztywnych węzłach i dużej sztywności początkowej (geosiatki ekstrudowane).
Ogólne wytycze doboru metody wzmocneinia gruntu
| Opis warunków gruntowych | Zalecany sposób wzmocnienia |
| Nasypy antropogeniczne z gruntówniespoistych grubookruchowych | wszelkie metody zagęszczania przy użyciuwibracji lub udarów (bez wprowadzaniadodatkowego materiału) |
| Luźne grunty niespoiste rodzime | |
| Nasypy antropogeniczne z gruntówniespoistych drobnoziarnistych i spoistych,zalegające naprzemiennie | kolumny kamienne i żwirowe |
| Grunty rodzime spoiste i niespoiste zalegające naprzemiennie | |
| Słabonośne grunty spoiste i niespoiste(z wyjątkiem gruntów organicznych) | wszelkiego rodzaju kolumny betonowe,cementowo-gruntowe (np. jet-grouting, DSM) |
| Grunty organiczne | kolumny betonowe, kamienne i żwirowe(w tym w osłonie geotekstylnej) |
Wzmacnianie gruntu - analiza obliczeniowa
Kolumny kamienne lub żwirowe zwiększają nośność i sztywność podłoża. Podczas ich formowania następuje zagęszczenie podłoża rodzimego oraz jego częściowa wymiana poprzez wprowadzenie dodatkowego materiału. W przypadku kolumn kamiennych wykonywanych metodą wymiany dynamicznej stosuje się materiał grubookruchowy, o dopuszczalnej wielkości ziaren ok. 120 mm. Przy żwirowych, tworzonych przez wibrowymianę lub wibroflotację, używa się materiału zdecydowanie drobniejszego o dopuszczalnej wielkości ziaren 32 mm. Projektując kolumny z kruszywa, należy rozważyć:
- stan graniczny nośności – jego niespełnienie oznacza utratę stateczności kolumn,
- drugi stan graniczny, wymagający równocześnie nieprzekroczenia: dopuszczalnego osiadania (graniczny stan przemieszczenia), granicznego stanu odkształcenia kątowego, wynikającego z nierównomierności osiadania (według Eurokodu 7 wartość ta wynosi 1/500).
Nośność kolumny oraz postać jej zniszczenia zależy od smukłości (rys. 2). Kolumny smukłe (np. żwirowe), których podstawa oparta jest na gruntach o dużej sztywności, tracą stateczność w wyniku spęcznienia górnej ich części. W przypadku kolumn krępych (np. kamiennych) formowanych metodą wymiany dynamicznej, zniszczenie następuje w momencie osiągnięcia stanu granicznego nośności i objawia się wyparciem gruntu w otoczeniu głowicy kolumny.
Analizę nośności i osiadania podłoża gruntowego wzmocnionego kolumnami kamiennymi wykonuje się zazwyczaj analitycznie metodami Priebego (rys. 3) i Braunsa. Opierają się one na koncepcji komórki jednostkowej, w której podłoże pod obiektami rozległymi i równomiernie obciążonymi sprowadza się do równowagi pojedynczej kolumny otoczonej słabym gruntem (podział na obszary wpływu poszczególnych kolumn). Średnicę komórki jednostkowej ustala się na podstawie rozstawu kolumn i przyjętej siatki wzmocnienia.Kolumny cementowo-gruntowe oraz betonowe projektuje się w oparciu o znane od wielu lat wzory, definiujące ich nośność jako sumę wartości tego parametru dla podstawy i pobocznicy.Nośność tę oblicza się ze wzorów statycznych, z wprowadzeniem współczynników bezpieczeństwa osobno do nośności podstawy i pobocznicy:
Rc;d = R c;k/Yt lub Rc;d = Rb;k/Yb + Rs;k/Ys,
gdzie: Rc;d – całkowita obliczeniowa nośność pala Rc zależna od wytrzymałości gruntu,Rc;k – charakterystyczna wartość,Rc, Rb;k – charakterystyczna nośność podłoża pod podstawą pala,Rs;k – charakterystyczna nośność gruntu wzdłuż pobocznicy,γt, γb, γs – częściowe współczynniki bezpieczeństwa (dla całkowitej nośności pala, podstawy i pobocznicy).
Rb;k = Abqb;k
Rs;k = ∑n i=1 As,iqs,i;k
Wielkość:
qb;k – charakteryzuje opór jednostkowy pod podstawą pala,qs,i;k – określa charakterystyczny opór na pobocznicy pala w kolejnych warstwach gruntu,Ab – pole przekroju poprzecznego podstawy kolumny,As,i – pole pobocznicy kolumny zagłębionej w gruncie w obrębie warstwy i.W praktyce inżynierskiej nadal jednak korzysta się ze starej normy palowej PN-B-02482, która podaje wartości oporów q i t, biorąc pod uwagę rodzaj oraz stan gruntu. Takich zależności nie określa natomiast EN 1997-1, a wartości oporów podstawy (qb;k) i pobocznicy (qs,i;k) nie są tu równoznaczne z oporami q i ti z normy PN-B-02482.Na podstawowych założeniach, uwzględniających nośność kolumny jako sumę nośności podstawy oraz pobocznicy, opartych jest również bardzo wiele metod projektowania kolumn betonowych oraz iniekcyjnych (procedury projektowe adaptowane do konkretnych technologii podał w swojej pracy prof. K. Gwizdała w monografii Fundamenty palowe). Kolumny można także opracowywać na podstawie sondowań CPT metodami: EAP (metoda niemiecka) oraz LCPC (metoda francuska) z uwzględnieniem wytycznych EN 1997-2 (załącznik D).
Eurokod dopuszcza projektowanie w oparciu o wyniki badań terenowych pali próbnych, co może okazać się szczególnie opłacalne przy realizacji dużych zadań. Znaczne oszczędności mogą wówczas przekroczyć wartość wykonywania badań terenowych w skali naturalnej oraz zrekompensować ich wydłużony czas.
